《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方案
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摘要: 為了實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)路與Internet以及GSM網(wǎng)的互聯(lián),,提出了一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方案,。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件平臺以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器,采用ZigBee協(xié)議建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),而
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 摘 要: 為了實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)路與Int ernet 以及GSM 網(wǎng)的互聯(lián), 提出了一種嵌入式" title="嵌入式">嵌入式無線智能家居" title="智能家居">智能家居網(wǎng)關(guān)" title="網(wǎng)關(guān)">網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)" title="系統(tǒng)">系統(tǒng)的設(shè)計" title="設(shè)計">設(shè)計方案" title="方案">方案。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件平臺以ARM920T 核處理器S3C2440 為主處理器, 采用ZigBee 協(xié)議建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò), 而且通過以太網(wǎng)模塊和GSM 模塊接入外部網(wǎng)絡(luò),。軟件平臺采用Linux 操作系統(tǒng), 通過交叉編譯設(shè)計網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序,。最后,, 以QtopiaCo re 為嵌入式GUI, 進(jìn)行家庭網(wǎng)關(guān)監(jiān)測應(yīng)用軟件的功能需求分析, 設(shè)計圖形用戶界面,, 實現(xiàn)家庭內(nèi)部信息的查詢,。基于ARM9 和Linux 的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),, 可擴(kuò)展性強(qiáng),, 數(shù)據(jù)處理速度快, 使用簡單,, 能夠?qū)彝ゾW(wǎng)絡(luò)內(nèi)部多項環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測,。

  0 引言

  智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術(shù)(計算機(jī)技術(shù),通信技術(shù),,控制技術(shù))與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物,,是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡(luò)通常包括智能家居網(wǎng)關(guān),,外部網(wǎng),,安防設(shè)備等。智能家居網(wǎng)關(guān)與其他4個部分連接,,交互信息,對它們進(jìn)行統(tǒng)一的管理,。此外,,智能家居網(wǎng)關(guān)還接入外部網(wǎng)絡(luò),使用戶能夠遠(yuǎn)程實時控制管理家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),。

  在本文中,,智能家居網(wǎng)絡(luò)是指應(yīng)用于家庭環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在家庭中,,部署各種傳感器,,例如紅外傳感器,煙霧傳感器,,RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息,,這些傳感器通過自組織方式就構(gòu)建了智能家居網(wǎng)絡(luò)。所以本文設(shè)計的智能家居網(wǎng)關(guān)主要是實現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet以及GSM網(wǎng)的互連,。顯然,,智能家居網(wǎng)關(guān)是整個家庭網(wǎng)絡(luò)的核心,主要實現(xiàn)Internet網(wǎng),,GSM網(wǎng)的接入,,遠(yuǎn)程控制,以及實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功能,。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本高,,而且要求計算機(jī)一直處于開機(jī)狀態(tài),因此,,對于普通的用戶,,家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用廉價的嵌入式CPU,若單是采用8位或者16位的單片機(jī),,由于速度慢且資源有限,,不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制,效果不理想,。

  因此,,以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器,家庭內(nèi)部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網(wǎng)絡(luò)。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊,。此外,,本文用Qt設(shè)計了用戶可操作的觸摸屏界面。

  1 網(wǎng)關(guān)需求分析

  網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場及遠(yuǎn)程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài),,并在異常時報警,。各個傳感器將各自采集的信息,經(jīng)過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸,,傳送到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上,,通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng),將信息通過有線或者無線方式傳送到遠(yuǎn)程終端上或者用戶手機(jī)上,。網(wǎng)關(guān)部署如圖1所示,。

 

網(wǎng)關(guān)部署結(jié)構(gòu)圖
 

圖1 網(wǎng)關(guān)部署結(jié)構(gòu)圖

  本文要實現(xiàn)的目標(biāo)有以下3個:

  (1)實現(xiàn)用戶在任何時間,,任何地點通過遠(yuǎn)程無線的方式對家庭內(nèi)的環(huán)境信息查詢,;

  (2)對家庭內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行實時監(jiān)控,,當(dāng)其中某一項參數(shù)超過一定指標(biāo)時,,以遠(yuǎn)程無線方式通知用戶,發(fā)送報警信息,;

 ?。?)*遠(yuǎn)程終端的連接請求,當(dāng)有遠(yuǎn)程Socket連接時網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù),。
 

  2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

  現(xiàn)階段大部分的家庭網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線接入,,本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網(wǎng)絡(luò),以linux為操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)無線接入方案,,目的是能通過手機(jī)短信或者遠(yuǎn)程終端對控制節(jié)點進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。并使用JENNIC無線射頻模塊實現(xiàn)家庭內(nèi)部子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。

  網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可以簡化為硬件層和軟件層,。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成,。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件構(gòu)成,其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)
 

圖2 網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)

 3 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

  本次網(wǎng)關(guān)設(shè)計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺,。嵌入式ARM處理器具有體積小,功耗低,,成本低,,性能高等特點,是十分優(yōu)秀的RISC處理器,。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器,,具有400 MHz的主頻,內(nèi)部集成多個功能模塊,支持NAND-flash啟動等特點,,是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片,。因此,本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器,。

  考慮主控制器擴(kuò)展出來的串行接口數(shù)量有線,,程序的調(diào)試,燒寫,,傳感器節(jié)點等都需要串行接口,。所以,選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現(xiàn)USB串行口的擴(kuò)展,。以太網(wǎng)控制器和配合擴(kuò)展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標(biāo)準(zhǔn)的串口集成到網(wǎng)關(guān)上。人機(jī)接口打算使用LCD觸摸屏,,可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導(dǎo)加載程序燒寫在網(wǎng)關(guān)中,。具體的硬件架構(gòu)圖如圖3所示,。

 

 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖
 

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖

4 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

  4.1 構(gòu)建網(wǎng)關(guān)嵌入式Linux操作系統(tǒng)

  網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件平臺與功能應(yīng)用之間,需要專門的負(fù)責(zé)管理存儲器分配,,中斷處理以及任務(wù)調(diào)度等功能的軟件模塊,,這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應(yīng)用的系統(tǒng)的軟件,,包括硬件相關(guān)的底層驅(qū)動,,系統(tǒng)內(nèi)核,通信協(xié)議,,圖形用戶界面等,。

  本文的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是面向WSN和Internet,GSM互聯(lián)的通信應(yīng)用,,主要完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信和控制,,因此需要選擇實時的操作系統(tǒng)。在眾多的嵌入式實時操作系統(tǒng)中,,從開發(fā)成本,,軟件支持和代碼開放的角度考慮,本文將采用Linux操作系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)的操作系統(tǒng),。

  4.2 建立交叉編譯環(huán)境

  交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上可以執(zhí)行的代碼,。這里的平臺包括體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。同一體系結(jié)構(gòu)上可以運行不同操作系統(tǒng),。同樣,,同一個操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上運行。

  本文是在裝有Ubuntu 9.10(基于X86架構(gòu)的Linux操作系統(tǒng))的PC機(jī)上為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)建立了基于ARM9的交叉編譯環(huán)境。建立之后,,就可以在PC機(jī)上對將在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上運行的應(yīng)用程序進(jìn)行編譯,,從而生成可以在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上運行的可執(zhí)行代碼,最后下到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上,。這也就是目前嵌入式程序開發(fā)的宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)(HOST/TARGET)模式,。

  Linux交叉編譯環(huán)境的內(nèi)容,主要分為4個部分:GCC編譯器(C語言編譯器),,二進(jìn)制工具包(Binutils),,標(biāo)準(zhǔn)C庫(Glibc)和Linux內(nèi)核頭文件。Glibc和GCC都有很多版本,,需要根據(jù)實際需要選擇合適的版本,。

  4.3 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計

  本次網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件架構(gòu)圖4所示。其主要功能是依據(jù)傳感器配置文件,,分類解析WSN中的數(shù)據(jù),,為用戶提供Socket數(shù)據(jù)服務(wù)和XML-RPC遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。其工作流程是:網(wǎng)關(guān)程序啟動以后,,從XML文件夾中解析所有的傳感器配置文件,;*串口數(shù)據(jù),利用傳感器配置文件解析數(shù)據(jù)生成XML數(shù)據(jù)流,;創(chuàng)建Socket服務(wù)器,,等待客戶端數(shù)據(jù)請求,提供XML格式的Socket服務(wù),;創(chuàng)建XML-Socket遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)器,,完成用戶的XML請求。

 

  網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)
 

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

  程序設(shè)計思路如圖5所示:網(wǎng)關(guān)程序啟動,,完成參數(shù)初始化,,解析XML文件夾下的所有傳感器配置文件,創(chuàng)建3個類的實例,。4個任務(wù)隊列,。Serialcomm類創(chuàng)建兩條線程用讀串口和寫串口,這樣可以保證數(shù)據(jù)的實時性,?;谕瑯拥牡览恚琗MLParser類和XMLComm類也是雙線程并行工作,。這樣就組成了從WSN和Internet的上行通道(圖5中的虛線表示),,以及Internet到WSN的下行通道(圖5中的粗線表示)。

網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)計思路圖
 

圖5 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)計思路圖

  4.4 人機(jī)接口模塊的設(shè)計

  人機(jī)接口使用的是項目中使用的觸摸屏是240×320 TFT彩屏LCD,。該模塊主要設(shè)計以下4個菜單供用戶操作:文件菜單,,查詢菜單,,報警菜單和管理菜單。這部分的設(shè)計使用Qt設(shè)計,。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫,,由挪威TrollTech公司開發(fā),目前包括Qt/X11,、基于Framebuffer的Qt/Embedded,、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。Qt的良好封裝機(jī)制使其模塊化程度非常高,,可重用性較好,,對于用戶來說非常的方便。Qt API和開發(fā)工具對所有支持平臺都是一致的,,從而可以進(jìn)行獨立于平臺的程序開發(fā)和配置,。它使得跨平臺軟件編程直觀、簡易和方便,。

  本文所有的可視化界面都是通過Qt自帶的工具Qt designer設(shè)計,,它是一個可視化的界面設(shè)計工具,對于其每個組件內(nèi)部的關(guān)系通過編寫代碼來實現(xiàn),。

  網(wǎng)關(guān)登陸界面主要用于用戶登陸信息的輸入,,包括用戶名和密碼。用戶正確輸入用戶名和密碼之后,,就可以進(jìn)入網(wǎng)關(guān)的主界面,,如圖6所示,,可以看到,,這里有4個菜單,當(dāng)點擊每一個菜單分別進(jìn)入相應(yīng)的功能界面,,例如點擊文件菜單,,可進(jìn)入配置文件的編輯界面。在此界面上可以修改網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的配置文件,。這個界面具有一般文件界面的所有功能,。這幾個界面都比較簡單,比較容易實現(xiàn),。在此重點介紹監(jiān)控界面的設(shè)計,。

網(wǎng)關(guān)主界面
 

圖6 網(wǎng)關(guān)主界面

  監(jiān)控界面是該系統(tǒng)用戶界面的主要部分。它主要是查看目前家里的環(huán)境信息,。和這相關(guān)的文件有query.ui,,ui_query.h,query.h,,query.cpp等,,其中query.ui是Qt Designer設(shè)計的主界面函數(shù),,如圖7所示。Ui_query.h是moc編譯器產(chǎn)生的函數(shù),。本文中需要的函數(shù)一般都在query.h,,query.cpp中得到體現(xiàn)和實現(xiàn),主要包括信息的查詢,,這里既可以查看一段時間內(nèi)家庭內(nèi)的環(huán)境信息,,也可以輸入查詢?nèi)掌冢樵兡程斓臄?shù)據(jù)信息,。根據(jù)需求,,設(shè)計的主要實現(xiàn)函數(shù)為:

網(wǎng)關(guān)的查詢界面
 

圖7 網(wǎng)關(guān)的查詢界面
 

  這些槽函數(shù)是根據(jù)按鈕要實現(xiàn)的具體功能而設(shè)計的。具體實現(xiàn)在query.cpp中,。

  通過這部分的設(shè)計,,實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的人機(jī)界面部分??梢詫νㄟ^此網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對家庭信息進(jìn)行查詢,。

  4.5 報警功能

  該網(wǎng)關(guān)的報警功能主要是網(wǎng)關(guān)主控制器通過操作串口來操作GSM模塊,使用AT指令來完成,。在該網(wǎng)關(guān)中,,報警功能實現(xiàn)當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息超過某一閾值時,發(fā)送報警信息,。

  5 結(jié)語

  本文立足于WSN和Internet,,GSM異構(gòu)互聯(lián)研究,針對WSN與Internet,,GSM互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)接入要求,,完成了基于ARM9的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究與設(shè)計。從硬件平臺上來說,,提供了豐富的接口以便不同網(wǎng)絡(luò)的接入,,從軟件平臺來說,實現(xiàn)了用戶對家庭網(wǎng)關(guān)的訪問,,通過用戶可操作的人機(jī)界面來對家庭內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行查詢,。當(dāng)家庭內(nèi)某一項環(huán)境信息超標(biāo)時,通過使用AT指令控制GSM模塊來向用戶發(fā)送報警短信,。

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